CN103682978A - 光调制器的制造方法以及光调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光调制器的制造方法以及光调制器。是具备激光二极管部以及EAM部（20）的光调制器的制造方法。在半导体衬底（100）上设置作为用于制造激光二极管部的半导体层的LD生长层。在半导体衬底（100）上设置用于形成EAM部（20）的EAM吸收层（120）。测定EAM吸收层（120）的光致发光波长。蚀刻LD生长层而形成带构造部。以LD部（30）的振荡波长与EAM部（20）的光致发光波长之差接近设计值的方式设计带构造部的宽度。从而能够高精度地进行用于降低激光二极管部的振荡波长与电场吸收型调制部的光致发光波长的设计值的差异的调节。

Description

光调制器的制造方法以及光调制器
技术领域
本发明涉及光调制器的制造方法以及光调制器。
背景技术
一直以来，例如如日本特表2002－533940号公报所公开地，已知集成了半导体激光器和光调制器的半导体集成电路。在该公报的段落0008中，记载了“光子装置间的波长之差依赖于衬底上的光子装置的位置，被称为失调的激光器与调制器间的波长之差很重要”。在该公报中，公开了在用于制造激光器和调制器的电路掩模包括两个掩模部分（即激光器部分和调制器部分）的前提下，为了实施所需要的波长校正，应该怎样设计调制器部分（调制器掩模部分）的宽度等。
专利文献
专利文献1：日本特表2002－533940号公报；
专利文献2：日本特开2002－033547号公报。
发明内容
在集成了激光二极管部（以下也称作LD部）和电场吸收型调制部（以下也称为EAM部）的光调制器中，将LD部和EAM部分别在同一半导体衬底上形成。在该集成型的光调制器中，EAM部的吸收光谱以及LD部的振荡波长以及它们的波长差决定主要的性能。此时，优选LD部的振荡波长与EAM部的光致发光波长之差（以下也称为Δλ）为尽可能地接近设计值的值。然而，LD部的振荡波长由于LD部的制造偏差而具有一定程度的偏差，另一方面，EAM部的光致发光波长也由于电场吸收层（EAM吸收层）的制造偏差而具有一定程度的偏差。作为这些偏差的结果，最终的Δλ的值有可能具有设计上不能够容许的程度的制造偏差。
本发明为了解决如上所述的问题而完成，提供一种光调制器的制造方法以及光调制器，其能够高精度地进行用于使激光二极管部的振荡波长与电场吸收型调制部的光致发光波长之差接近设计值的调节。
第一发明是一种光调制器的制造方法，
其中所述光调制器具备激光二极管部以及电场吸收型调制部，所述光调制器的制造方法的特征在于，具备：
在半导体衬底上设置作为用于制造所述激光二极管部的半导体层的LD生长层的工序；
在所述半导体衬底上设置用于形成所述电场吸收型调制部的电场吸收层的工序；
测定所述电场吸收层的光致发光波长的测定工序；以及
蚀刻所述LD生长层而形成带构造部的带形成工序，
以所述激光二极管的振荡波长与所述光致发光波长之差接近设计值的方式设计所述带构造部的宽度。
第二发明是一种光调制器，其特征在于，具备：
半导体衬底；
激光二极管部，设于所述半导体衬底；
电场吸收型调制部，设于所述半导体衬底中的所述激光二极管部的激光出射侧位置，通过电场的施加而控制所述激光的出射状态；以及
带构造部，共同地设于所述激光二极管部以及所述电场吸收型调制部，
所述带构造部具有：第一部分，位于所述激光二极管部且具有第一宽度；以及第二部分，位于所述电场吸收型调制部且具有与所述第一宽度不同的第二宽度。
根据本发明，提供一种光调制器的制造方法以及光调制器，能够高精度地进行用于使激光二极管部的振荡波长与电场吸收型调制部的光致发光波长之差接近设计值的调节。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的构成的立体图；
图2是本发明的实施方式1所涉及的光调制器的LD部30的脊部分附近的截面图；
图3是本发明的实施方式1所涉及的光调制器的EAM部20的脊部分附近的截面图；
图4是示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的制造方法的流程图；
图5是示意性地示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的制造流程的立体图；
图6是示意性地示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的制造流程的立体图；
图7是示意性地示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的制造流程的立体图；
图8是示意性地示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的制造流程的立体图；
图9是示意性地示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的制造流程的立体图；
图10是作为本发明的实施方式1的变形例的、具有埋入带构造的光调制器的制造方法的流程图；
图11是示意性地示出本发明的实施方式2所涉及的光调制器的构成的立体图；
图12是示出本发明的实施方式2所涉及的光调制器310的制造流程的立体图。
具体实施方式
实施方式1.
[实施方式1的装置的构成]
图1是示意性地示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的构成的立体图。在半导体基板100设有LD部30以及EAM部20。LD部30指的是激光二极管部，EAM部20指的是电场吸收型调制部（Electro－Absorption Modulator）。
图1所示的光调制器10具备由n型半导体构成的半导体基板100。在半导体衬底100，层叠有n型包覆层102、EAM吸收层120、活性层104、p型包覆层侧的层叠构造、p型接触层111、绝缘膜108等。此外，通过图2以及图3的截面图说明p型包覆层侧的层叠构造的详细情况。光调制器10在其上表面具有EAM部电极20a以及LD部电极30a，它们分别是p型电极。在未图示的图1的光调制器10的背面侧设有n型电极。通过对两个电极的电压施加，实施LD部电极30a中的激光振荡、以及EAM部20处的基于光吸收控制的光调制。
LD部30是在光调制器10内恰好设置了活性层104的部分的层叠构造。EAM部20是在光调制器10内恰好设置了EAM吸收层120的部分的层叠构造。
光调制器部10具备脊带构造部40。如图1所示，脊带构造部40是在EAM部20以及LD部30上共同地延伸的一个突起部。以下也将脊带构造部40的宽度示为wstrp。此外，在光调制器10中，在脊带构造部40的两边隔开一定间隔地设有作为凸部的平台部42。
图2是本发明的实施方式1所涉及的光调制器的LD部30的脊部分附近的截面图。如图2所示，在LD部30中，在半导体衬底100上，依次层叠有n型包覆层102、活性层104、p型包覆层110a、衍射光栅层106、p型包覆层110b、绝缘膜108、p型接触层111、p型电极112、以及镀Au电极层114。如该截面图所示，LD部30是具备衍射光栅层106的分布反馈型半导体激光器。
另外，图3是本发明的实施方式1所涉及的光调制器的EAM部20的脊部分附近的截面图。如图3所示，在EAM部20中，在半导体衬底100上，依次层叠有n型包覆层102、EAM吸收层120、p型包覆层110b、绝缘膜108、p型接触层111、p型电极112、以及镀Au电极层114。
[实施方式1的制造方法]
图4是示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的制造方法的流程图。图5至图9是示意性地示出本发明的实施方式1所涉及的光调制器的制造流程的立体图。
一般而言，EAM部20的吸收光谱能够在制造时通过测量光致发光（photoluminescence，PL）波长来管理。另一方面，LD部30的振荡波长能够通过测量衍射光栅的光栅间隔来管理。将EAM部20的PL波长与LD部30的振荡波长之差称为Δλ。
（步骤S200）
在图4的流程图中，首先，在步骤S200中，实施使用外延生长而在半导体衬底100上依次形成n型包覆层102、LD部30的活性层104以及衍射光栅层106的工序。这是在半导体衬底100上设置LD成长层的工序，LD成长层是用于制造LD部30的半导体层。在本实施方式中，“LD成长层”指的是n型包覆层102、LD部30的活性层104、衍射光栅层106。
（步骤S202）
接着，作为步骤S202，实施衍射光栅层106的形成。在该时刻，图5所示的立体图的状态完成。此外，更严密地说，如图2的截面图所示，在p型包覆层110a内，形成有埋入了衍射光栅片的衍射光栅层106。
（步骤S204）
接着，作为步骤S204，实施测量衍射光栅层106的衍射光栅间隔的工序。在该步骤中，测定衍射光栅间隔，该衍射光栅间隔是衍射光栅构造的多个光栅片的间隔。这是因为衍射光栅层106的衍射光栅间隔是决定LD部30的振荡波长的一个要素。
（步骤S206）
接着，作为步骤S206，实施在n型包覆层102上形成EAM吸收层120的工序。在该时刻，图6所示的立体图的状态完成。
（步骤S208“测定工序”）
接着，作为步骤S208，实施测量EAM吸收层120的光致发光波长（PL波长）的工序。PL波长的测定本身使用已为公知的技术而实施即可，因此在此省略详细的说明。
（步骤S210）
接着，作为步骤S210，实施依次层叠p型包覆层110b以及p型接触层111的工序。在该时刻，图7所示的立体图的状态完成。
（步骤S211以及S212“带形成工序”）
在步骤S211中，以LD部30的振荡波长与EAM部20的光致发光波长之差Δλ接近设计值的方式设计脊带构造部40的宽度。以下，像图1等也示出的那样，将脊带构造部40的宽度记为脊带宽度wstrp。
LD部30的振荡波长对衍射光栅层106的衍射光栅间隔以及脊带宽度wstrp存在依赖性。因此，通过调节衍射光栅间隔、脊带宽度，能够控制LD部30的振荡波长。
另一方面，EAM部20中的EAM吸收层120的PL波长的控制，通常能够通过变更外延生长中的材料气体流量来进行。通常，在比较EAM部20的PL波长的控制性与LD部30的振荡波长的控制性时，EAM部20的控制性较差。所谓“波长的控制性”，意思是以某个波长为目标时在制造偏差方面存在偏移的可能性的范围。例如，PL波长的控制性为±0.5nm，意思是指即使设计为PL波长1555.0mm并标准控制工艺，也制造出PL波长成为1554.5nm、1555.5nm的光调制器。列举具体示例，存在如下情况，即EAM部的PL波长的控制性为±5nm左右，与此相对，LD部的振荡波长的控制性为±0.5nm左右，EAM部20的波长的控制性差（粗略）10倍左右。
若以首先进行LD部30的制作之后集成EAM部20的顺序实施制造工艺，则时间上在之后的工序中形成的EAM部20的PL波长控制性决定Δλ的控制性。此时，EAM部20的PL波长控制性的控制性比较粗略，例如如前所述地为±5nm。当存在为了稳定地获得器件性能而想要以例如“目标值±3nm”的精度控制Δλ的要求时，产生EAM部20的PL波长的控制性不充分的情况。换言之，即使欲调节EAM部20的PL波长并以“目标值±3nm”的精度调节Δλ，也不得不承担制造偏差导致相对于目标值偏移±5nm的可能性。
因此，在本发明中利用LD部30的振荡波长除衍射光栅间隔之外对脊带宽度也存在依赖性的特性。即，在测量EAM部20的PL波长之后，以将从该目标偏移的量校正的方式决定脊带宽度，制作脊构造。具体而言，以目标光致发光波长与在测定工序中测定的光致发光波长的测定值之差越向长波长侧变大，激光二极管的振荡波长就越向长波长侧偏移的方式设计脊带构造部40的宽度。或者，以目标光致发光波长与在测定工序中测定的光致发光波长的测定值之差越向短波长侧变大，激光二极管的振荡波长就越向短波长侧偏移的方式设计脊带构造部40的宽度。
在此，将LD部30的振荡波长对脊带宽度的依赖性作为大约3nm/μm进行说明。该“3nm/μm”的意思是指若脊带宽度大1μm，则LD部30的振荡波长变长(向3nm长波长侧移位)，若脊带宽度窄1μm，则LD部30的振荡波长变短3nm左右（向短波长侧移位）。该依赖性（变化率）的值为一例，是依赖于光调制器的构造的数值。通过预先确定此种依赖性，即使EAM部20的PL波长偏移的情况下，也能够接近所希望的Δλ。
例如考虑EAM部20的PL波长相对于设计值λ1为λ1＋4nm，大4nm左右的情况。此时，以相对于初始设计值w0大为w0＋0.4μm的方式制作脊带宽度wstrp。由此，Δλ被校正为＋2.8nm，确保器件性能。
以下记述具体的计算例。λ1为PL波长的值，在此设计为1500.0nm。在通信用光器件的情况下，通常设定在1300nm～1600nm附近。
设计PL值 λ1＝1500.0nm
设计脊带宽度（初始设计值） w0＝2.0μm
脊带宽度2.0μm时的LD振荡波长设计值 λLD0＝1555.0nm
此时，Δλ的初始设计值（目标值）为λ1－λLD0＝－55.0nm。
用于获得作为光调制器10所希望的器件性能的Δλ设计范围为－58.0nm～－52.0nm。
在该条件下开始图4的制造工艺。考虑之后在测量EAM部20的PL波长时，实际的结果为PL波长为1504.0nm的情况。此时，若依然制作2.0μm宽度的脊，则变为Δλ＝1504.0－1555.0＝－51.0nm，脱离能够获得器件性能的范围（Δλ＝－58.0nm～－52.0nm）。
因此，在本实施方式中，将脊带宽度wstrp从2.0μm变粗为2.4μm。即，使w0＋0.4μm＝wstrp。
由此，LD振荡波长增加
0.4μm×（3.0nm/μm）＝1.2nm。
从而，LD振荡波长变为
1555.0＋1.2＝1556.2nm。
由此，变为
Δλ＝1504.0－1556.2＝－52.2nm。
其结果，Δλ收敛在能够获得所需要的器件性能的范围内。即，为－52.2nm的Δλ值相对于作为Δλ的初始设计值的﹣55.0nm而言具有＋2.8nm的偏差。即，Δλ的偏差以＋2.8nm收敛，能够满足想要以目标值±3nm的精度控制Δλ的要求。
此外，在上述计算式中，基于脊带宽度与PL波长的关系进行计算，但还可以将衍射光栅间隔的值也包括在计算内。如前所述，这是因为衍射光栅层106的衍射光栅间隔是决定LD部30的振荡波长的一个要素。即，还可以基于测定的衍射光栅间隔与设计脊带宽度w0求本次的制造工艺中的预想LD振荡波长值。还可以根据该预想LD振荡波长值和光致发光波长的测定值，以Δλ变小的方式设计脊带构造部40的宽度。
接着，作为步骤S212，实施用于制造作为光波导的脊带构造部40的蚀刻。在该时刻，图8所示的立体图的状态完成。使用决定为上述设计宽度wstrp＝2.4μm的光掩模，通过蚀刻而形成较细的带状波导。
（步骤S214）
之后，进一步通过绝缘膜108、p型电极112、镀Au电极层114的层叠而最终完成图9所示的光调制器10。
如以上所说明地，根据本实施方式，测定EAM吸收层12的光致发光波长，当该测定值从目标值偏移时，能够校正与脊带构造部40的宽度有关的设计值。由于LD部30的振荡波长与脊带构造部40的宽度之间存在相关，故能够校正EAM吸收层120的光致发光波长的偏移量。
能够通过脊带构造部40的宽度控制而实施的振荡波长调整的精度与控制EAM吸收层120的光致发光波长时的调整精度相比较高。从而，能够高精度地进行用于降低Δλ（即LD部30的振荡波长与EAM部20的光致发光波长之差）的值的调节。
根据本实施方式，将衍射光栅间隔以及带构造的宽度相对于LD部30的振荡波长具有相关性的情况也列入考虑范围，能够校正脊带构造部40的宽度的设计值。
此外，如图4所示的流程图，在本实施方式中，为首先进行LD部30的制作，之后集成EAM部20的顺序。这使流动电流的活性层104在进行其他制造工艺之前能够在平坦的半导体衬底上外延生长。由此能够确保长期可靠性。
根据本实施方式，能够提供能够以高精度获得Δλ的制造方法，而无需大幅变更首先进行LD部30的制作，之后集成EAM部20的制造工艺。
[实施方式1的变形例]
图10是作为本发明的实施方式1的变形例的、具有埋入带构造的光调制器的制造方法的流程图。在实施方式1中，对具备脊带构造部（脊波导构造）的光调制器10进行了说明，但通过埋入带构造也能够获得同样的效果。
在图10中，与图4不同的是，取代步骤S212而存在步骤S312的“形成波导带构造”的工序，以及在其之后存在步骤S314的“电流狭窄层埋入外延生长”的工序。
此外，虽然如变形例那样以埋入带构造也能够获得由脊带宽度校正带来的振荡波长控制效果，但较为理想的是如实施方式1那样不进行埋入的脊带构造部（脊波导构造）。作为其理由，外延生长工序通常为600℃以上的高温工序，若实施埋入工序则可能经过高温历史而改变EAM部20的吸收波长。有好不容易调整后的Δλ值又一次偏移的风险。关于这一点，在脊带构造部40的情况下，因为没有带形成后的外延生长工序，因而具有能够以更高的精度进行脊带宽度控制的优点。
实施方式2.
图11是示意性地示出本发明的实施方式2所涉及的光调制器的构成的立体图，示出本发明的实施方式2所涉及的光调制器310。与图1所示的实施方式1所涉及的光调制器10相比较，不同点是EAM部320以及LD部330的构成。具体而言，在本实施方式中，脊带构造部340在LD部330与EAM部320中具有不同的宽度。
在实施方式2中，如图11所示，在两部分中带宽度不同地适用。仅仅对LD部30进行脊带宽度的校正，不校正EAM部20的带宽度。带宽度变更如在实施方式1所述的那样，在LD部30中具有改变振荡波长的作用。然而，在EAM部20中也具有改变消光特性、频率响应特性的作用。用于将振荡波长收敛于所希望的范围内的带宽度校正不一定是对EAM部20的各特性而言理想的变更。关于这一点，在实施方式2中，能够在进行用于Δλ校正的带宽度变更时防止EAM部20的性能受到负面影响。
图12是示出本发明的实施方式2所涉及的光调制器310的制造流程的立体图。图12相当于实施方式1中的图8的制造流程阶段。
实施方式2所涉及的制造方法通过在图4所示的实施方式1的制造方法的流程图中，将步骤S211中的带宽度wstrp的设计工序替换为下列内容而实现。
在实施方式1中，将脊带构造部40的宽度统一地决定为wstrp，对EAM部20以及LD部30共同地设置该wstrp的宽度的脊带构造部40。然而，在实施方式2所涉及的光调制器310中，在EAM部320中，将脊带宽度设为设计脊带宽度（初始设计值）w0＝2.0μm。另一方面，在LD部330中，将脊带宽度与实施方式1同样地设为从2.0μm变粗为2.4μm（即w0＋0.4μm＝wstrp）的值。
之后，与步骤S212同样地，使用光掩模，通过蚀刻而形成较细的带状波导。
由于脊带构造部340共同地设于LD部330以及EAM部320，故该脊带构造部340的宽度在LD部330中影响振荡波长，另一方面，在EAM部320中影响消光特性、频率响应特性。根据本实施方式，通过将脊带构造部340中的LD部330侧部分（第一部分）与EAM部320（第二部分）设计为不同宽度，从而对于LD部330以及EAM部320各自能够进行实现所希望特性的最佳设计。
附图标记说明
10 光调制器；20 EAM部；20a、30a 电极；30 LD部；40 脊带构造部；42 平台部；100 半导体衬底；102 n型包覆层；104 活性层；106 衍射光栅层；108 绝缘膜；110a p型包覆层；110b p型包覆层；111 p型接触层；112 p型电极；114 镀Au电极层；120 EAM吸收层；310 光调制器；320 EAM部；330 LD部；340 脊带构造部；wstrp 脊带构造宽度。

Claims (5)

1.一种光调制器的制造方法，其中所述光调制器具备激光二极管部以及电场吸收型调制部，所述光调制器的制造方法的特征在于，具备：
在半导体衬底上设置作为用于制造所述激光二极管部的半导体层的LD生长层的工序；
在所述半导体衬底上设置用于形成所述电场吸收型调制部的电场吸收层的工序；
测定所述电场吸收层的光致发光波长的测定工序；以及
蚀刻所述LD生长层而形成带构造部的带形成工序，
以所述激光二极管部的振荡波长与所述光致发光波长之差接近设计值的方式设计所述带构造部的宽度。
2.根据权利要求1所述的光调制器的制造方法，其特征在于：
实施第一宽度设计或者第二宽度设计，所述第一宽度设计以目标光致发光波长与在所述测定工序中测定的光致发光波长的测定值之差越向长波长侧变大，所述激光二极管部的振荡波长就越向长波长侧偏移的方式设计所述带构造部的宽度，所述第二宽度设计以目标光致发光波长与在所述测定工序中测定的光致发光波长的测定值之差越向短波长侧变大，所述激光二极管部的振荡波长就越向短波长侧偏移的方式设计所述带构造部的宽度。
3.根据权利要求1或2所述的光调制器的制造方法，其特征在于：
所述带构造部在所述激光二极管部和所述电场吸收型调制部中具有不同的宽度。
4.根据权利要求1或2所述的光调制器的制造方法，其特征在于：
所述设置LD生长层的工序包含：
在所述半导体衬底上设置活性层的工序、和
在为所述活性层上且形成所述带构造部的位置设置由多个光栅片构成的衍射光栅构造的工序，
在所述带形成工序之前，还具备测定作为所述衍射光栅构造中的所述多个光栅片的间隔的衍射光栅间隔的工序，
基于所述衍射光栅间隔与所述光致发光波长的测定值，以所述激光二极管部的振荡波长与所述光致发光波长之差接近设计值的方式设计所述带构造部的宽度。
5.一种光调制器，其特征在于，具备：
半导体衬底；
激光二极管部，设于所述半导体衬底；
电场吸收型调制部，设于所述半导体衬底中的所述激光二极管部的激光出射侧位置，通过电场的施加而控制所述激光的出射状态；以及
带构造部，共同地设于所述激光二极管部以及所述电场吸收型调制部，
所述带构造部具有：第一部分，位于所述激光二极管部且具有第一宽度；以及第二部分，位于所述电场吸收型调制部且具有与所述第一宽度不同的第二宽度。
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